JP4438521B2 - 複数のターボチャージャを備えた多気筒内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、ターボチャージャを有する多気筒内燃機関に係り、特に一つの多気筒内燃機関に複数の過給手段を設ける場合の改良に係わる。

一つの多気筒内燃機関に複数の過給用ターボチャージャを設けることは、例えば下記の特許文献１および２に示されている如く知られており、これはターボチャージャの故障による機関出力の大幅な低下を回避する手段として有効である。このうち特許文献１は、多気筒内燃機関の排気マニホールドの出口に二股の排気分岐通路を接続し、各分岐通路に個別のターボチャージャを接続し、各ターボチャージャにて加圧された吸気を一つにまとめて吸気マニホールドホールドへ給送するものであり、２つのターボチャージャの一方または両方が電動発電機により補助するモータアシスト式とされている。各排気分岐通路と各ターボチャージャからの加圧された吸気の通路の各々には開閉弁が設けられ、これらの開閉弁を機関の運転状況に応じて開閉制御するものである。特許文献２は、特許文献１と同一の出願人によるものであり、特許文献１の制御では、供給電力の割に期待した効果が得られなかったり、また排気エネルギより電力を回収できる機関運転領域が狭いことに対処してツインターボチャージャの制御装置を更に改良するものである。特許文献２によれば、特許文献１によるツインターボチャージャの制御装置では、大容量のターボチャージャと小容量のターボチャージャとを用い、排気通路および吸気通路をそれぞれ２分して接続しており、一方のターボチャージャが故障すると、他方から加圧された空気が故障したターボチャージャの側に逆流してしまい、大型車輌では発進不能となる恐れがあるので、各ターボチャージャの圧気側の流路の途中に開閉弁を設けると共に、各開閉弁の手前から圧気を大気へ逃がす開閉弁を備えた逃がし通路を設け、これらの開閉弁の開閉制御により、正常なターボチャージャからの圧気が故障したターボチャージャの側へ流れることを阻止することが提案されている。
特開平４-５４２１８ 特開２００２-２７６７８６

上記の特許文献１或は２の提案による如く排気通路や吸気通路に多数の開閉弁を設けた場合、その開閉制御が複雑になると共に、開閉弁の故障に対する対策が必要となる。

本発明は、一つの多気筒内燃機関に複数のターボチャージャを設ける構造に於ける上記の事情に鑑み、複数のターボチャージャを備えた多気筒内燃機関のターボチャージャに関する制御を大幅に簡素化することを課題としている。

上記の課題を解決するものとして、本発明は、複数のターボチャージャを備えた多気筒内燃機関にして、各ターボチャージャにて加圧された吸気は互いに異なる気筒群に供給されるようになっていることを特徴とする多気筒内燃機関を提案するものである。

前記複数のターボチャージャにはモータアシスト式ターボチャージャが含まれていてよい。

前記複数のターボチャージャのうちの第一のターボチャージャは第一の群の気筒のみからの排気により駆動されて該第一の群の気筒に対し過給を行い、第二のターボチャージャは第二の群の気筒のみからの排気により駆動されて該第二の群の気筒に対し過給を行うようになっていてよい。この場合、更に、前記第一のターボチャージャがモータアシスト式ターボチャージャであり、前記第二のターボチャージャがモータアシストされないターボチャージャであるとき、前記第一のターボチャージャにより加圧された吸気の一部を前記第二のターボチャージャにより加圧された吸気に混入させる通路がもうけられていてよい。

或はまた、前記複数のターボチャージャのうちの第一のターボチャージャはモータアシスト式ターボチャージャであって第一の群の気筒のみからの排気により駆動されて第二の群の気筒に対し過給を行い、第二のターボチャージャはモータアシストされないターボチャージャであって前記第二の群の気筒のみからの排気により駆動されて前記第一の群の気筒に対し過給を行うようになっていてよい。

上記の如く、多気筒内燃機関が複数のターボチャージャを備えている場合に、各ターボチャージャにて加圧された吸気が互いに異なる気筒群に供給されるようになっていれば、複数のターボチャージャの間に容量の大小その他の性能上の差異を設け、それらの異なるターボチャージャの各々からの吸気が気筒へ供給される前に混合されてしまうことのないようにして、異なるターボチャージャの性能上の差異を生かした機関運転を行うことが可能となる。特に、複数のターボチャージャにモータアシスト式ターボチャージャが含まれていれば、例えば、２つのターボチャージャのうち１つのみをモータアシスト式とすることにより、一つの多気筒内燃機関に対し唯一つ設けられたターボチャージャをモータアシスト式にする場合に比して、より小型の電動機または電動発電機によってより安価な費用にて機関の出力立ち上げをより速やかにする効果を得ることができる。

また、排気タービンとコンプレッサの組合せよりなるターボチャージャの基本構造自体は、ほとんど故障を想定する必要のないものであるが、ターボチャージャがモータアシスト式ターボチャージャである場合には、モータ系統の故障によりモータアシストが得られなくなる可能性が生ずる。この点に関し、複数のターボチャージャのうちの第一のターボチャージャは第一の群の気筒のみからの排気により駆動されて該第一の群の気筒に対し過給を行い、第二のターボチャージャは第二の群の気筒のみからの排気により駆動されて該第二の群の気筒に対し過給を行うようになっていれば、そのようなモータアシストフェイルが生じても、その影響を直接的に受けるのは複数の気筒のうちの一部であり、残る気筒は本来の設計された運転を正常に維持することができる。

更に、前記第一のターボチャージャがモータアシスト式ターボチャージャであり、前記第二のターボチャージャがモータアシストされないターボチャージャであるとき、前記第一のターボチャージャにより加圧された吸気の一部を前記第二のターボチャージャにより加圧された吸気に混入させる通路が設けられていれば、モータアシスト式の第一のターボチャージャにより加圧された吸気の一部が第二のターボチャージャを経て供給される吸気に添加されることにより、第二の気筒群もその吸気量が増えることによりそれだけ出力の立上りがよくなり、それがクランク軸を介して第一の気筒群の作動を促進させるので、両気筒群の間に出力立上り促進の相乗効果が生ずる。またモータアシスト式の第一のターボチャージャにより加圧された吸気の一部が第二のターボチャージャを経て供給される吸気に添加されれば、モータアシストを伴って作動する第一の気筒群の出力とモータアシストのない第二の気筒群の出力の間の差が縮小され、機関の回転がより滑らかとなり、特にモータアシスト領域からモータアシストなしの領域への遷移がより滑らかに行われる。

また、複数のターボチャージャのうちの第一のターボチャージャはモータアシスト式ターボチャージャであって第一の群の気筒のみからの排気により駆動されて第二の群の気筒に対し過給を行い、第二のターボチャージャはモータアシストされないターボチャージャであって前記第二の群の気筒のみからの排気により駆動されて前記第一の群の気筒に対し過給を行うようになっていれば、モータアシスト式ターボチャージャのタービン入口の圧力はモータアシストされない場合に比して下がるので、モータアシストされた第一のターボチャージャはモータアシストされない第二のターボチャージャからの吸気により作動する気筒からの排気によってもより高い過給力を発揮し、一方、モータアシストされない第二のターボチャージャは、モータアシストされた第一のターボチャージャからの吸気により作動する気筒からの排気により駆動されるので、これもまたより高い過給力を発揮し、こうして２つのターボチャージャのうちの一方のみをモータアシスト式にすることによっても、両方のターボチャージャの過給力を均して高め、総合的により低い費用にてより高い過給効果を得ることができる。

尚、上記の如き種々の作用効果は、いずれも何らの切換弁を用いることなく達成されるものである。

添付の図１は、本発明による多気筒内燃機関の一つの実施の形態を発明の要部のみについて示す概略図である。図において、１０は図示の例では６気筒の多気筒内燃機関のシリンダブロックを含む本体部であり、そこに円にて示された６個の気筒＃１〜＃６が設けられている。気筒＃１〜＃３は第一の気筒群をなしており、それらの気筒の図には示されていない排気ポートより排出された排気は、第一の排気マニホールド１２により集められ、第一のターボチャージャ１４のタービン（Ｔ）１６へ供給されるようになっている。第一のターボチャージャ１４は電動機または電動発電機（Ｍ）１８を備えたモータアシスト式のターボチャージャであり、そのコンプレッサ（Ｃ）２０により加圧された吸気は導管２２を経てインタークーラ（Ｉ／Ｃ）２４に通され、それより更に導管２６および第一のインテークマニホールド２８を経て気筒＃１〜＃３の図には示されていない吸気ポートを経て各気筒へ供給されるようになっている。

同様に、気筒＃４〜＃６は第二の気筒群をなしており、それらの気筒の図には示されていない排気ポートより排出された排気は、第二の排気マニホールド３０により集められ、第二のターボチャージャ３２のタービン（Ｔ）３４へ供給されるようになっている。第二のターボチャージャ３２はモータアシストされないターボチャージャであり、そのコンプレッサ（Ｃ）３６により加圧された吸気は導管３８を経てインタークーラ（Ｉ／Ｃ）４０に通され、それより更に導管４２および第二のインテークマニホールド４４を経て気筒＃４〜＃６の図には示されていない吸気ポートを経て各気筒へ供給されるようになっている。

こうして一つの多気筒内燃機関の気筒＃１〜＃６が二つの群に分けられ、第一の群の気筒＃１〜＃３はこれらの気筒のみから排出される排気により駆動される第一のターボチャージャ１４により吸気を過給され、第二の群の気筒＃４〜＃６はこれらの気筒のみから排出される排気により駆動される第二のターボチャージャ３２により吸気を過給されるようになっていることにより、第一の群の気筒＃１〜＃３と第二の群の気筒＃４〜＃６に対する燃料噴射量、ガソリンエンジンの場合の点火進角、ディーゼルエンジンの場合の噴射時期等が個別に制御できることは勿論のこと、第一の群の気筒＃１〜＃３に対する第一のターボチャージャ１４がモータアシスト式とされ、第二の群の気筒＃４〜＃６に対する第二のターボチャージャ３２がモータアシストされないターボチャージャとされること等により両ターボチャージャからの加圧吸気の圧力に差があっても、第一のターボチャージャ１４の側から第二のターボチャージャ３２の側へ吸気の逆流が生ずるような障害は生じず、またそのようなことを防止するための逆止弁のような装置は必要とされない。また、たとえ何れかのターボチャージャに故障が生じるようなことがあっても、何らの開閉弁の開閉制御を必要とすることなく、単に故障が生じた側の気筒に対する燃料の供給を停止する処置のみにて、故障が生じた側の気筒群の作動を停止させ、他方の側の気筒群のみを通常通り作動させて機関を運転することができる。

図２は、図１に示す実施の形態の一部を変更して得られる本発明による多気筒内燃機関の他の一つの実施の形態を図１と同様に発明の要部のみについて示す概略図である。図２において、図１に示す部分に対応する部分には図１に付した符号と同じ符号を付し、これらの部分についての重複した説明は明細書の冗長化を避けるため省略する。

この実施の形態の於いては、図にて解図的に示されている如く導管２６に比して細い導管４６にて導管２６の一部が導管４２の一部に接続されており、導管２６内の吸気圧力が導管４２内の吸気圧力より高ければ、導管２６を経て送られてくる吸気の一部が導管４６を経て分流されて導管４２内を流れる吸気へ添加されるようになっている。上記の細い導管に代えて、より太い導管の途中に適当な絞り装置を設けたものが用いられてもよい。

気筒＃１〜３と気筒＃４〜６とは互いに同等であるので、内燃機関が通常の定常運転状態にあってモータアシスト式ターボチャージャ１４がモータアシストされる必要のない運転状態に於いては、ターボチャージャ１４と３２とは同じ出力性能を有するものであってよい。従って、ターボチャージャ１４と３２とがそのように作られていれば、ターボチャージャ１４がモータアシストされて作動しているときには、ターボチャージャ１４により加圧された吸気の圧力は、ターボアシストされないターボチャージャ３２により加圧された吸気の圧力より高くなる。

従って、図２の実施の形態においては、機関出力を立ち上げるときであって、ターボチャージャ１４がモータアシストされて作動しているときには、ターボチャージャ１４による過給系の側からモータアシストされないターボチャージャ３２による過給系の側へ幾分かの量の吸気を移転する作用が行われ、これによって機関の出力立ち上げをより速やかにする上で効果のあるターボチャージャのモータアシストを、一つの多気筒内燃機関に対し唯一つ設けられたターボチャージャをモータアシスト式にする場合に比して、より小型の電動機または電動発電機によってより安価に実現できるという利益に加えて、モータアシスト式のターボチャージャにより加圧された吸気の一部がモータアシストされないターボチャージャを経て供給される吸気に添加されることにより、後者の気筒群もその吸気量が増えることによりそれだけ出力の立上りがよくなり、それがクランク軸を介して前者の気筒群の作動を促進させ、両気筒群の間に出力立上り促進の相乗効果が生ずるという利益が得られる。またモータアシスト式のターボチャージャにより加圧された吸気の一部がモータアシストされないターボチャージャを経て供給される吸気に添加されれば、モータアシストされる側の気筒群の出力とモータアシストされない側の気筒群の出力の間の差が縮小され、機関の回転がより滑らかとなり、特にモータアシスト領域からモータアシストなしの領域への遷移がより滑らかに行われる。

図３は、本発明による多気筒内燃機関の他の一つの実施の形態を図１および２と同様に発明の要部のみについて示す概略図である。図３においも、図１に示す部分に対応する部分には図１および２に付した符号と同じ符号を付し、これらの部分についての重複した説明は省略する。

この実施の形態の於いては、モータアシスト式とされた第一のターボチャージャ１４は第一の群の気筒＃１〜＃３のみからの排気により駆動されるが、その加圧吸気を導管４８により気筒＃４〜＃６へ供給し、モータアシストされない第二のターボチャージャ３２は第二の群の気筒＃４〜＃６のみからの排気により駆動されるが、その加圧吸気を導管５０により第一の群の気筒＃１〜＃３へ供給するようになっている。このように２つの気筒群と２つのターボチャージャとの間で排気と吸気の給排を交換するようになっていれば、モータアシストされたターボチャージャ１４ではモータアシストによりタービン入口圧力が下がるので、モータアシストされないターボチャージャ３２からの吸気により作動する気筒＃１〜＃３からの排気によっても過給力を高く維持することができ、またモータアシストされないターボチャージャ３２は、モータアシストされたターボチャージャ１４からの吸気により作動する気筒＃４〜＃６からの排気により駆動されるので、その過給力は高まり、こうして２つのターボチャージャのうちの一方のみをモータアシスト式にすることによっても、モータアシストの効果を均して気筒＃１〜＃６の全体に及ぼすことができ、ターボチャージャの半分をモータアシスト式とすることにより過給装置の費用を低減しつつ過給効果を高めることができる。

以上に於いては本発明をいくつかのの実施の形態について詳細に説明したが、これらの実施の形態について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

本発明による多気筒内燃機関の一つの実施の形態を発明の要部のみについて示す概略図。 図１に示す実施の形態の一部を変更して得られる本発明による多気筒内燃機関の他の一つの実施の形態を図１と同様に発明の要部のみについて示す概略図。 本発明による多気筒内燃機関の他の一つの実施の形態を発明の要部のみについて示す図１および図２と同様の概略図。

符号の説明

１０…多気筒内燃機関のシリンダブロックを含む本体部、１２…第一の排気マニホールド、１４…第一のターボチャージャ、１６…タービン（Ｔ）、１８…電動機または電動発電機（Ｍ）、２０…コンプレッサ（Ｃ）、２２…導管、２４…インタークーラ（Ｉ／Ｃ）、２６…導管、２８…第一のインテークマニホールド、３０…第二の排気マニホールド、３２…第二のターボチャージャ、３４…タービン（Ｔ）、３６…コンプレッサ（Ｃ）、３８…導管、４０…インタークーラ（Ｉ／Ｃ）、４２…導管、４４…第二のインテークマニホールド、４６…細い導管、４８，５０…導管

Claims (4)

1. 複数のターボチャージャを備えた多気筒内燃機関にして、各ターボチャージャにて加圧された吸気は互いに異なる気筒群に供給されるようになっており、前記複数のターボチャージャにはモータアシスト式ターボチャージャとモータアシストされないターボチャージャとがあることを特徴とする多気筒内燃機関。
2. 前記複数のターボチャージャのうちの第一のターボチャージャは第一の群の気筒のみからの排気により駆動されて該第一の群の気筒に対し過給を行い、第二のターボチャージャは第二の群の気筒のみからの排気により駆動されて該第二の群の気筒に対し過給を行うようになっていることを特徴とする請求項１に記載の多気筒内燃機関。
3. 前記第一のターボチャージャがモータアシスト式ターボチャージャであり、前記第二のターボチャージャがモータアシストされないターボチャージャであるとき、前記第一のターボチャージャにより加圧された吸気の一部を前記第二のターボチャージャにより加圧された吸気に混入させる通路が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の多気筒内燃機関。
4. 前記複数のターボチャージャのうちの第一のターボチャージャはモータアシスト式ターボチャージャであって第一の群の気筒のみからの排気により駆動されて第二の群の気筒に対し過給を行い、第二のターボチャージャはモータアシストされないターボチャージャであって前記第二の群の気筒のみからの排気により駆動されて前記第一の群の気筒に対し過給を行うようになっていることを特徴とする請求項１に記載の多気筒内燃機関。
   

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